מבט רחוק במיוחד של היקום מראה גלקסיות שמתרחקות מאיתנו במהירות קיצונית. במרחקים אלה נראות הגלקסיות רבות יותר, קטנות יותר, פחות מתפתחות, וכדי להיסגר בהיסטים אדומים גדולים בהשוואה לזו הסמוכה. קרדיט תמונה: נאס

5 שאלות שהיית נבוכה מכדי לשאול על היקום המתרחב

ממה שהוא מתרחב לשאלה אם הדברים נעים מהר יותר מאור, זה מנקה כמה מהתפיסות השגויות הגדולות ביותר שלנו.

"ככל שאנו יכולים לשים לב באופן ברור יותר את תשומת ליבנו לנפלאות ולמציאות של היקום סביבנו, כך יהיה לנו פחות טעם להרס." -רייצ'ל קרסון

כשאנחנו מתבוננים ביקום הרחוק, אנו ממשיכים לראות גלקסיות בכל מקום, לכל הכיוונים, במשך מיליונים ואפילו מיליארדי שנות אור. עם שתי טריליון גלקסיות משוערות שניתן לראות לעיני האנושות, הסכום הכולל של מה שיש שם הוא גדול ומרהיב יותר ממה שרובנו יכולים לקוות לדמיין. אחת העובדות התמוהות ביותר היא שמכל הגלקסיות בהן צפינו אי פעם, כולם מצייתים (בממוצע) לאותה כלל: ככל שהם רחוקים מאיתנו, כך נראה שהם מתרחקים מאיתנו מהר יותר. תגלית זו, שנעשתה על ידי אדווין האבל ומשתפי הפעולה שלו בשנות העשרים, הובילה אותנו לתמונת היקום המתרחב. אבל מה זה אומר שהיקום מתרחב? המדע יודע, ועכשיו גם אתם!

ככל שאנחנו מסתכלים רחוק יותר, כך רחוק יותר זמן ליקום פחות מפותח שאנו רואים. אך רק אם היחסות הכללית חלה ושולטת ביקום המתרחב. קרדיט תמונה: המשתמש בוויקיפדיה פבלו קרלוס בודסי.

1.) למה מתרחב היקום? זו אחת מאותן שאלות שנשמעות כל כך הגיוניות, מכיוון שכל השאר שמתרחב עשוי מחומר וקיים במרחב ובזמן של היקום. אולם היקום עצמו הוא פשוט מרחב וזמן, והוא מכיל את כל החומר והאנרגיה הקיימים בתוכו. כשאנו אומרים "היקום מתרחב", כוונתנו היא שהמרחב עצמו הוא מה שמתרחב, מה שגורם לנו לראות את הגלקסיות הבודדות ואת אשכולות הגלקסיות שכולם מתרחקים זה מזה. ההדמיה הטובה ביותר שראיתי אי פעם היא לצייר כדור בצק עם צימוקים בתוכו, לאפות בתנור.

מודל 'לחם צימוקים' של היקום המתרחב, בו המרחקים היחסיים גדלים ככל שהמרחב (הבצק) מתרחב. קרדיט תמונה: צוות המדע NASA / WMAP.

הבצק הוא מארג החלל, הצימוקים הם המבנים הכבולים (כמו גלקסיות או קבוצות / אשכולות גלקסיות), ומבחינת כל צימוק, כל הצימוקים האחרים מתרחקים ממנו, עם הצימוקים הרחוקים יותר מתרחק מהר יותר. רק, במקרה של היקום, אין תנור ואין אוויר מחוץ לבצק; יש רק בצק (שטח) וצימוקים (חומר).

לא סתם הגלקסיות מתרחקות מאיתנו שגורמות להסרה אדומה, אלא שהמרחב בינינו לבין הגלקסיה מסיט מחדש את האור במסעו מאותה נקודה רחוקה לעינינו. קרדיט תמונה: לארי מקניש ממרכז RASC קלגרי.

2.) איך נדע שמארג המרחב מתרחב ולא רק גלקסיות שזזות במהירויות שונות? אם אתה רואה חפצים מתרחקים ממך לכל הכיוונים, זה יכול להיות בגלל שהמרחב בינך לבין אותם חפצים מתרחב; זו אפשרות אחת. אך נראה גם הגיוני שיכול להיות קרוב למרכז הפיצוץ, וחפצים רבים נמצאים רק רחוקים יותר ומתקדמים היום יותר מהר מכיוון שהם קיבלו יותר אנרגיה בפיצוץ. אם הדבר האחרון היה נכון, היו שני ראיות שיוכלו להתבלט:

  1. יהיו פחות גלקסיות במרחקים גדולים ובמהירות גבוהה, מכיוון שהן יתפשטו בחלל ביתר קלות ככל שחלף הזמן.
  2. יחס ההיסטה / המרחק היה מציית לצורה מסוימת מאוד במרחקים גדולים אשר יהיו שונים מהמקרה שמדובר במרקם המרחב שהתרחב.
ההבדלים בין הסבר מבוסס תנועה בלבד למשמרת אדומה / מרחקים (קו מנוקד) לבין תחזיות היחסיות הכללית (המוצקה) לגבי מרחקים ביקום המתרחב. בהחלט, רק התחזיות של GR תואמות את מה שאנו רואים. קרדיט תמונה: משתמש Wikimedia Commons Redshiftimprove.

כאשר אנו מסתכלים על מרחקים גדולים אנו מגלים כי למעשה קיימת צפיפות גלקסיות גדולה יותר ביקום הרחוק מאשר בקרבת מקום. זה עולה בקנה אחד עם תמונה בה המרחב מתרחב, שכן מבט למרחק זהה להביט אל העבר, שם התרחשה פחות התרחבות. אנו מוצאים גם כי לגלקסיות הרחוקות יש שינוי אדום ומרחק התואם את מרקם החלל המתפשט, והרבה מאוד לא עם גלקסיות שפשוט מתרחקות מאיתנו במהירות. זו שאלה שהמדע יכול לענות עליה בשני אופנים שונים מאוד, ושתי התשובות תומכות ביקום מתרחב.

עלילה של קצב ההתרחבות לכאורה (ציר y) לעומת מרחק (ציר x) עולה בקנה אחד עם יקום שהתרחב מהר יותר בעבר, אך עדיין מתרחב כיום. זוהי גרסה מודרנית של היצירה המקורית של האבל, שנמשכת אלפי פעמים רחוק יותר. שימו לב לעובדה שהנקודות אינן מהוות קו ישר, מה שמצביע על שינוי קצב ההתרחבות לאורך זמן. אשראי תמונה: נד רייט, מבוסס על הנתונים האחרונים של Betoule et al. (2014).

3.) האם היקום תמיד התפשט באותו קצב? אנו קוראים לזה קבוע האבל, אבל זה רק קבוע בכל מקום בחלל, לא כל "מתי" בזמן. היקום מתרחב ברגע זה בזמן בקצב איטי יותר ממה שהיה אי פעם בעבר. כשאנחנו מדברים על קצב ההתרחבות, זה מרחק מהירות ליחידה: היום סביב 70 קמ"ש / מפ"ק. ("Mpc" הוא מגה-פרק, או כ -3,260,000 שנות אור.) אבל קצב ההתרחבות תלוי בצפיפות של כל הדברים השונים ביקום, כולל חומר וקרינה. ככל שהיקום מתרחב, החומר והקרינה בתוכו הופכים פחות צפופים, וככל שהחומר וצפיפות הקרינה צונחים כך גם קצב ההתפשטות. היקום התפשט מהר יותר בעבר, והוא מאט מאז המפץ הגדול הלוהט. קבוע האבל הוא כינוי לא נכון; יש לקרוא לזה פרמטר האבל.

גורלותיו הרחוקים של היקום מציעים מספר אפשרויות, אך אם האנרגיה האפלה היא באמת קבועה, כפי שהנתונים מצביעים, היא תמשיך לעקוב את העקומה האדומה. אשראי תמונה: NASA / GSFC.

4.) האם היקום יתרחב לנצח, או שיום אחד הוא ייפסק, או אפילו יצטמצם מחדש? במשך דורות זו הייתה אחת משאלות הגביע הקדושות של הקוסמולוגיה והאסטרופיזיקה, וניתן היה לענות עליה רק ​​על ידי קביעת הן כמה מהר היקום מתרחב והן מה כל סוגי האנרגיה (וכמויות) השונים שנמצאים בתוכו. מדדנו בהצלחה כמה חומר רגיל, קרינה, נייטרינו, חומר אפל ואנרגיה אפלה קיימים, כמו גם את קצב ההתפשטות של היקום. בהתבסס על חוקי הפיזיקה ומה שקרה בעבר, נראה כי היקום ימשיך להתרחב לנצח. אם כי אין מדובר בוודאות של 100%; אם משהו כמו אנרגיה אפלה מתנהג אחרת בעתיד מאיך שהוא מתנהג בעבר ובהווה, כל המסקנות שלנו נתונות לעדכון.

5.) האם יש גלקסיות שמתרחקות מהר יותר ממהירות האור, וזה לא אסור? מבחינתנו, המרחב שבינינו וכל נקודה רחוקה מתרחב. ככל שמשהו רחוק יותר, כך נראה שהוא נסוג מהר יותר מאיתנו. גם אם קצב ההתרחבות היה זעיר, אובייקט רחוק מספיק יעבור בסופו של דבר את אותו סף של מהירות סופית כלשהי, שכן קצב התפשטות (מהירות לכל מרחק) כפול מרחק מספיק גדול יעניק לך מהירות כמו שאתה רוצה. אבל זה בסדר ביחסות כללית! החוק ששום דבר לא יכול לנוע מהר יותר ממהירות האור חל רק על תנועת האובייקט בחלל, ולא על התרחבות המרחב עצמו. במציאות הגלקסיות עצמן מסתובבות רק במהירויות שהם מאות או אלפי קמ"ש, הנמוכים בהרבה מגבלת המהירות של 300,000 קמ"ש שנקבעה על ידי מהירות האור. התפשטות היקום היא זו הגורמת למיתון זה וההיסטה האדומה, ולא לתנועה גלקטית אמיתית.

בתוך היקום הנצפה (עיגול צהוב), ישנן כ -2 טריליון גלקסיות. לעולם לא ניתן להגיע לגלקסיות יותר משליש מהדרך לגבול מה שאנו יכולים לצפות בעקבות התרחבות היקום, והשאירה רק 3% מנפח היקום פתוחים לחקירה אנושית. קרדיט לתמונות: משתמשי ויקימדיה Commons Commons Azcolvin 429 ו- Frédéric MICHEL / E. Siegel.

היקום המתפשט הוא תוצאה הכרחית של חומר ואנרגיה הממלאים זמן חלל המציית לחוקי היחסות הכללית. כל עוד יש משנה, יש משיכה כבידתית, כך שאף כוח המשיכה מנצח והכל חוזר ונמנע, או שכוח הכבידה מאבד וההתרחבות מנצחת. אין שום מרכז להתרחבות, וגם אין משהו מחוץ לחלל שהיקום מתרחב אליו; מרקם היקום עצמו הוא מה שעושה את ההתרחבות, בכל מקום ולתמיד. באופן המשגע ביותר, אפילו אם נשאיר את כדור הארץ במהירות האור כיום, רק 3% מהגלקסיות ביקום הנצפה אי פעם ניתן יהיה להגיע אליו; 97% מהם כבר נמצאים מחוץ לתפיסתנו. היקום אולי הוא מקום מסובך, אבל לפחות אתה יודע כעת את התשובות לחמש מהשאלות הנפוצות ביותר שלא הובנו אליו!

Starts With A Bang נמצא כעת בפורבס, והופץ מחדש בבינוני בזכות תומכי הפטרון שלנו. איתן כתב שני ספרים, מעבר לגלקסיה, וטרקנולוגיה: המדע של מסע בין כוכבים מטריקוורסנס ועד וורפ דרייב.